CIGS-Solarzelle

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Die CIGS-Solarzelle stellt einen Typ von Solarzelle dar, welche auf dem Werkstoff Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) basiert. CIGS-Solarzellen besitzen im Gegensatz zu kristallinen Silizium-Solarzellen einen Absorber mit einer direkten Bandlücke. Die CIGS-Schicht wird in Dünnschichttechnologie gefertigt und ist je nach Hersteller 1–2 µm dick, während Dickschicht-Solarzellen auf Siliziumbasis mindestens ca. 150 µm dick sind. Durch die geringe Dicke ist es möglich, deutlich weniger Halbleitermaterial zu verwenden.

Dünnschicht-CIGSe-Solarzelle auf Polyimid-Substrat

Da durch die geringen Schichtdicken die Wegstrecken der Photoladungsträger zwischen Erzeugung und Sammlung kürzer sind, sind die Anforderungen an das Absorbermaterial geringer als bei kristallinen Silizium-Solarzellen. Daher werden Dünnschichtsolarzellen aus polykristallinem CIGS hergestellt, was den notwendigen Energieaufwand und die Kosten gegenüber der Herstellung von monokristallinem Silizium reduziert. Durch die geringen Schichtdicken können bei entsprechender Substratwahl auch leichte und sogar flexible Solarmodule für Anwendungen im Bereich der Photovoltaik hergestellt werden. Des Weiteren können Module direkt in einer Produktionslinie hergestellt werden – ohne den Umweg über einzelne Solarzellen, die anschließend verschaltet werden.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Der Wirkungsgrad von Modulen liegt im Moment bei 11–14 %.[1] Die Manz AG stellte im September 2012 ein CIGS-Solarmodul mit einem Wirkungsgrad von 14,6 % auf Gesamtmodulfläche und 15,9 % auf Aperturfläche vor, welches auf einer Massenproduktionsanlage hergestellt wurde.[2] Bei kleinen Laborzellen werden höhere Wirkungsgrade erreicht. Mit 20,1 % (bei 0,5 cm²) wurde im Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) im April 2010 der bisher weltweit höchste Wert für Dünnschicht-Solarzellen erreicht. Zuvor hatte 16 Jahre lang den höchsten Wirkungsgrad das US-Forschungsinstitut NREL erzielt.[3] Im Juli 2010 wurde dieser Wert auf 20,3 % gesteigert.[4] Dieser Wert wurde im Januar 2013 von einer CIGS Solarzelle auf Plastikfolie auf 20,4 %[5] und im Oktober 2013 vom ZSW auf 20,8%, also höher als den Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen, gesteigert.[6] Durch die geringe Schichtdicke werden die Ressourcen geschont und bei entsprechender Stückzahl soll es zu einer kostengünstigeren Herstellung als bei der Dickschicht-Technik kommen. Die Produktionstechnik erlaubt zudem auch die Herstellung von semitransparenten Modulen. Einschränkungen bei der Massenproduktion von CIGS-Modulen könnte es geben, da der Rohstoff Indium relativ knapp ist und auch in anderen technologischen Produkten auf Halbleiterbasis (z. B. Flachbildschirme) Verwendung findet.[7] Jedoch werden nur sehr geringe Mengen an Indium für die Solarzellen-Herstellung benötigt, sodass eine Massenproduktion die Indium-Knappheit nicht deutlich verschärfen wird.

Aufbau[Bearbeiten]

Schematischer Querschnitt einer Cu(In,Ga)Se2-Solarzelle

Die Grafik zeigt einen schematischen Querschnitt einer Cu(In,Ga)Se2-Solarzelle mit den entsprechenden Schichtdicken. Auch wenn flexible Substrate Vorteile bieten, wird bisher noch meist Glas als Substrat verwendet. Das Substrat wird mit Molybdän (Mo) beschichtet, das als Rückkontakt dient. Der p-n-Übergang ist ein Heteroübergang, das heißt, die p- und n-dotierten Schichten bestehen aus unterschiedlichen Halbleitern.

Der namensgebende Halbleiter Cu(In,Ga)Se2 wird auch als Absorber bezeichnet, da hier ein Großteil des eingestrahlten Lichts aufgenommen wird. Er ist durch intrinsische Defekte des Materials leicht p-dotiert. Als n-dotierte Schicht wird Zinkoxid (ZnO) mit Aluminium (Al) stark dotiert. Diese auch Aluminium-Zinkoxid (AZO) genannte Schicht bildet eine transparente leitfähige Oxidschicht. Bedingt durch die recht hohe Bandlücke des Zinkoxids (Eg,ZnO = 3,2 eV) ist diese Schicht für sichtbares Licht durchlässig. Daher wird sie auch als Fenster bezeichnet. Zwischen Fenster und Absorber befinden sich Pufferschichten aus Cadmiumsulfid (CdS) und undotiertem ZnO. Die Forschung beschäftigt sich wegen der Toxizität des Cadmiumsulfids und der Hoffnung auf Stromzugewinne auch mit alternativen Puffermaterialien (In2S3, Zn(O,S), (Zn,Mg)O u. a.). Die asymmetrische Dotierung der Schichten ergibt eine asymmetrische Raumladungszone, die sich tiefer in den Absorber erstreckt als in das ZnO.

Während die Mo- und ZnO-Schichten durch Sputterdeposition hergestellt werden und CdS in einem chemischen Bad abgeschieden (engl. chemical bath deposition, CBD) wird, gibt es verschiedene Varianten, den Absorber herzustellen. Am verbreitetsten sind die gleichzeitige thermische Verdampfung der Elemente bzw. das Abscheiden der Metalle (Cu, In, Ga) durch Elektroplattieren, Sputterdeposition oder andere Verfahren mit anschließender Erhitzung in einer Selen-Atmosphäre.

Markteinführung[Bearbeiten]

Es existieren Fabriken zur Fertigung von Kupfer-Indium-Diselenid-Modulen u. a. bei der Firma Manz CIGS Technology GmbH (Teil der Manz AG, früher Würth Solar) in Schwäbisch Hall, bei der Avancis GmbH in Torgau und bei der CIS Solartechnik GmbH in Hamburg. Eine Pilotfertigung von Solarmodulen auf Basis von Kupfer-Indium-Disulfid steht bei der Firma Soltecture in Berlin. Aus einer Pilotfertigung von Solarmodulen auf Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Basis in Uppsala/Schweden ist die Firma Solibro als 100-prozentige Tochterfirma der Q-Cells AG hervorgegangen. Solibro wie auch die Firma Miasole (US) wurden mittlerweile von dem 6. größten Energieversorger Chinas, Hanergy übernommen. Weitere Firmen in den USA und Japan haben Produktions- oder Pilotlinien, darunter eine 900-MW-Produktionslinie der Firma Solar Frontier, die schon mit RoHS-konformen Pufferschichten[8] auf CBD-Zn(S,O,OH)-Basis hergestellt werden.[9]

Flexible CIGS-Solarzellen[Bearbeiten]

Neben der Abscheidung auf Glas-Substraten wird an der Markteinführung von flexiblen CIGS-Solarzellen und -Modulen gearbeitet, u. a. bei der Firma Global Solar in Tucson/Arizona und Berlin. Als Substrate werden neben Metallfolien auch Hochtemperatur-Polymere wie zum Beispiel Polyimid eingesetzt. Auf Polyimidfolie wurden im Labor der EMPA in der Schweiz bereits 2011 Wirkungsgrade von 18,7 %[10] und 2013 von 20,4 % erreicht.[11] Zur Überführung dieser Technologie in die Massenproduktion haben verschiedene Firmen Pilotproduktionsanlagen aufgebaut und erreichten 2009 Wirkungsgrade von bis zu 13,4 %.[12]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. pro-physik.de: CIGS erreicht erstmals Wirkungsgrad von multikristallinen Modulen
  2. solarplaza.com: Top 10 World's Most Efficient CI(G)S Modules
  3. zsw-bw.de
  4. PV-Materialien auf zsw-bw.de
  5. media-release auf www.empa.ch
  6. ZSW: ZSW stellt CIGS-Rekordzelle her, Presseinformation vom 23. Oktober 2013.
  7.  Björn A. Andersson: Materials availability for large-scale thin-film photovoltaics. In: Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 8, Nr. 1, 2000, S. 61–76, doi:10.1002/(SICI)1099-159X(200001/02)8:1%3C61::AID-PIP301%3E3.0.CO;2-6.
  8. Solar Frontier: CIS-Module von Solar Frontier erfüllen strenge RoHS-Richtlinie. Abgerufen am 20. Februar 2012
  9. Katsumi Kushiya Solar Frontier K. K. GW Production in Solar Frontier K. K.: Current Status and Future Prospect. Abgerufen am 20. Februar 2012
  10. Swiss researchers boost efficiency of flexible solar cells to new world record: Record efficiency of 18.7% for flexible CIGS solar cells on plastics. empa.ch. 19. Mai 2011. Abgerufen am 4. Juli 2012.
  11. Empa Wirkungsgrade im 2013
  12. Solarion AG (Hrsg.): Weltrekord: 13,4 Prozent Wirkungsgrad bei Solarzellen auf Kunststofffolie (PDF; 144 kB). (Pressemitteilung vom 7. Oktober 2009)